半導(dǎo)體二極管及其基本電路

2.1半導(dǎo)體基本知識(shí)2.2PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?.3半導(dǎo)體二極管2.4穩(wěn)壓二極管2.5其它類型二極管2半導(dǎo)體二極管及其基本電路2.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)一、半導(dǎo)體材料

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來(lái)劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。

元素半導(dǎo)體：硅（Si）和鍺（Ge）化合物半導(dǎo)體：砷化鎵（GaAs）等。

半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體、絕緣體之間，其導(dǎo)電性能還有其獨(dú)特的特點(diǎn)。常用的半導(dǎo)體材料有：(a)硅晶體的空間排列二、半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)（硅）

硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見圖2-1圖2-1硅原子空間排列及共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4(b)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖1.本征半導(dǎo)體—完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體（化學(xué)成分純凈）。三、本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。在絕對(duì)溫度T=0K時(shí)，所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中，不會(huì)成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。

本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子+4+4+4+4+4+4+4+4+42.電子空穴對(duì)圖2-2本征激發(fā)過(guò)程電子空穴

當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)，導(dǎo)體中沒(méi)有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。自由電子可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對(duì)越多。與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復(fù)合

在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴對(duì)的濃度一定。常溫300K時(shí)：電子空穴對(duì)的濃度硅：鍺：電子空穴對(duì)+4+4+4+4+4+4+4+4+4E3.空穴的移動(dòng)圖2-3空穴在晶格中的移動(dòng)小結(jié)：晶體中存在著兩種導(dǎo)電的離子（電子、空穴）

自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過(guò)空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。動(dòng)畫演示由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子自由電子移走后而留下的空穴4.導(dǎo)電機(jī)理自由電子帶負(fù)電荷電子流＋總電流載流子空穴帶正電荷空穴流

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過(guò)空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在外加電場(chǎng)的作用下，電子和空穴會(huì)產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流而導(dǎo)電。(1)

P型半導(dǎo)體(2)N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。四、雜質(zhì)半導(dǎo)體1.

P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼、鎵、銦等）形成P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。

P型半導(dǎo)體硅原子空穴硼原子－－－－－－－－－－－－電子空穴對(duì)空穴受主離子P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體2.

N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）,可形成N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛很容易形成自由電子。++++++++++++磷原子硅原子施主離子自由電子電子空穴對(duì)多余電子在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。2.2PN結(jié)的形成及特性N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體++++++++++++－－－－－－－－－－－－雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖多子—電子少子—空穴多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關(guān)，與摻雜無(wú)關(guān)多子濃度——與溫度無(wú)關(guān)，與摻雜有關(guān)1.PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。此時(shí)將在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過(guò)程:兩側(cè)載流子存在濃度差雜質(zhì)離子不移動(dòng)形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)促進(jìn)少子漂移運(yùn)動(dòng)阻止多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成PN結(jié)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng):空穴：PN；電子NP空穴和電子產(chǎn)生復(fù)合空間電荷區(qū)PN內(nèi)電場(chǎng)耗盡層V0電位V電子勢(shì)能-qV0PN結(jié)的形成過(guò)程動(dòng)畫演示PN結(jié)REW2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)

外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反。外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)→耗盡層變窄→擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)＞漂移運(yùn)動(dòng)→多子擴(kuò)散形成正向電流IF正向電流(2)

加反向電壓（反偏）——電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)

外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同。外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)→耗盡層變寬→漂移運(yùn)動(dòng)＞擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→少子漂移形成反向電流IRPN在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無(wú)關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。

單向?qū)щ娦詣?dòng)畫演示PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴N結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

(3)PN結(jié)的伏安（V-I）特性

PN結(jié)的伏安特性是指在PN結(jié)兩端外加電壓時(shí)，通過(guò)PN結(jié)的電流大小與外加電壓之間關(guān)系的特性。如圖所示（硅二極管PN結(jié)）。

根據(jù)理論推導(dǎo)，二極管的伏安特性曲線可用下式表示：-1.0-0.500.51.01.00.5vD/ViD/mAiD=-IS

式中IS為反向飽和電流，vD

為外加電壓，VT=kT/q

稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q

為電子電荷量，T

為熱力學(xué)溫度。對(duì)于室溫（相當(dāng)T=300K），則有VT=26mV。3PN的反向擊穿反向擊穿熱擊穿電擊穿雪崩擊穿齊納擊穿PN結(jié)兩端反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然增加，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿消耗功率大于耗散功率PN結(jié)損壞反向擊穿電壓VBR0viD反偏反向飽和電流ISIs（少子漂移）正偏I(xiàn)F（多子擴(kuò)散）消耗功率小于耗散功率擊穿過(guò)程可逆反向擊穿（雪崩擊穿和齊納擊穿）結(jié)構(gòu)：二極管＝PN結(jié)＋管殼＋引線NP符號(hào)：陽(yáng)極（正極）陰極（負(fù)極）2.3半導(dǎo)體二極管一、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)二極管常見的幾種結(jié)構(gòu)1.點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。2.面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。3.平面型二極管用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。常見的半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管的型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管。2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。vD二、二極管的伏安（V－I）特性1.正向特性實(shí)驗(yàn)曲線硅：0.5V鍺：

0.1V導(dǎo)通壓降開啟電壓硅：0.7V鍺：0.3V當(dāng)0＜vD＜Vth時(shí)，正向電流為零，Vth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。當(dāng)vD

＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：當(dāng)vD

＞Vth時(shí)，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。二.二極管的伏安（V－I）特性實(shí)驗(yàn)曲線2.反向特性硅：0.5V鍺：

0.1V導(dǎo)通壓降開啟電壓硅：0.7V鍺：0.3VvD當(dāng)vD＜0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域：當(dāng)VBR＜vD＜0時(shí)，反向電流(少數(shù)載流子的漂移)很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱反向飽和電流IS

。當(dāng)vD≥VBR時(shí)，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。一般地：IS（硅）<IS（鍺）擊穿電壓VBR鍺反向飽和電流說(shuō)明：1.二極管與PN結(jié)伏安特性的區(qū)別二者均具有單向?qū)щ娦?，但由于二極管存在半導(dǎo)體體電阻和引線電阻，正向偏置在電流相同的情況下，二極管端電壓大于PN結(jié)的端電壓，或者說(shuō)在相同正向偏置下，二極管電流小于PN結(jié)電流；另外，二極管表面存在漏電流，其反相電流增大。2.溫度對(duì)二極管伏安特性的影響二極管的特性對(duì)溫度很敏感，環(huán)境溫度升高時(shí)，二極管正向特性曲線左移，反向特性曲線下移。1.最大整流電流IF：二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)二極管的最大整流電流的平均值。2.反向擊穿電壓VBR：二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。最高反向工作電壓VRM：為安全計(jì)，在實(shí)際工作時(shí)，最大反向工作電壓VRM一般為反向擊穿電壓VBR的一半。3.反向電流IR：管子在未擊穿時(shí)的反向電流，其值愈小，管子的單向?qū)щ娦栽胶?。反向電流隨溫度升高而增加。三、二極管的主要參數(shù)4.極間電容勢(shì)壘電容外加電壓時(shí)，二極管PN結(jié)空間電荷區(qū)中的電荷量隨外加電壓變化而改變，這顯示了電容效應(yīng)，這個(gè)電容稱為勢(shì)壘電容（CB）外加反向電壓使耗盡層變寬空間電荷量增加相當(dāng)于充電使耗盡層變窄空間電荷量減少相當(dāng)于放電擴(kuò)散電容在多數(shù)載流子的擴(kuò)散過(guò)程中，由外加電壓的改變引起擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累電荷量的變化而產(chǎn)生的電容效應(yīng)，這個(gè)電容稱為擴(kuò)散電容（CD）外加正向電壓增加積累電荷量增加相當(dāng)于充電減小積累電荷量減少相當(dāng)于放電

勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的大小與外加偏置電壓的大小有關(guān)，所以它們是一種非線性電容，它們都很小，對(duì)低頻影響不大，但在高頻應(yīng)用時(shí)，必須考慮。理想壓降模型2.4二極管基本電路及其分析方法一、二極管正向V-I特性模型

1.理想模型（電源電壓>>管壓降）

特點(diǎn)：正偏時(shí)，管壓降為0V；反偏時(shí)，電阻無(wú)窮大，電流為0。

2.恒壓降模型（iD≥1mA）應(yīng)用廣

特點(diǎn)：二極管導(dǎo)通后，其管壓降是恒定的，不隨電流而變，典型值為0.7V。

vDiDiDvD恒壓降模型vDiDiDvD電路如圖，求：UAB

V陽(yáng)

=－6VV陰=－12VV陽(yáng)>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。

D6V12V3kBAUAB+–二、模型分析法應(yīng)用舉例1.二極管靜態(tài)工作點(diǎn)分析

理想模型：恒壓降模型：例：電路如圖所示，R＝10K，當(dāng)VDD=10V和1V時(shí)，分別求電路的ID和VD值。分別用理想模型、恒壓降模型。解：⑴VDD=10V⑵VDD=1V理想模型：恒壓降模型：理想模型：恒壓降模型：

結(jié)論：電源電壓>>管壓降時(shí)，恒壓降模型能得出較合理的結(jié)果。

例：圖示二極管限幅電路，R＝1k，VREF=2V，輸入信號(hào)為vI。(1)若vI為4V的直流信號(hào)，分別采用理想模型、恒壓降模型計(jì)算電流I和輸出電壓vo解：理想模型恒壓降模型2.限幅電路mA2k12VV4REFI=-=-RVvI=V2REFo==VvmA31k1V702VV4DREFI..RVVvI=--=-－=2.7V0.7VV2DREFo=+=+=VVv（2）如果vI為幅度±4V的交流三角波，波形如圖（b）所示，分別采用理想二極管模型和恒壓降模型分析電路并畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。解：理想模型（波形如圖所示）0-4V4Vvit2V2VvotvI<VREF時(shí)，二極管反偏截止，相當(dāng)于開路，回路無(wú)電流，vo＝vI；vI>VREF時(shí)，二極管正偏導(dǎo)通，相當(dāng)于短路，vo＝VREF。02.7Vvot0-4V4Vvit2.7V恒壓降模型（波形如圖所示）。vI<VREF+Von時(shí)，二極管反偏截止，相當(dāng)于開路，回路無(wú)電流，vo=vI；vI>VREF+Von時(shí)，二極管正偏導(dǎo)通，相當(dāng)于短路，

vo=VREF+Von。3.開關(guān)電路：（二極管導(dǎo)通：開；截止：關(guān)）

判斷二極管導(dǎo)通還是截止的原則：先將二極管斷開，然后觀察或計(jì)算二極管正、負(fù)兩極間是正向電壓還是反向電壓，若正向則導(dǎo)通，否則截止。

例：圖示開關(guān)電路，當(dāng)vI1和vI2為0V或5V時(shí)，求vI1和vI2的值不同組合情況下，輸出電壓vO的值，設(shè)二極管是理想的。5V止止5V5V0V通止0V5V0V止通5V0V0V通通0V0VvOD2D1vI2vI14．整流電路當(dāng)vi為一正弦信號(hào)時(shí)，畫出輸出波形：解：vi>0時(shí)，D2、D4導(dǎo)通，D1、D3截止；vi<0時(shí)，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止；

2.5特殊二極管穩(wěn)壓二極管是工作在反向擊穿區(qū)的一種特殊二極管(伏安特性如圖)。當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下，工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時(shí)，其兩端電壓近似為常數(shù)。由于穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿區(qū)，故二極管一般反向接入電路。反偏電壓≥VZ；反向擊穿。正向同二極管穩(wěn)定電壓一、

穩(wěn)壓二極管(起穩(wěn)壓作用)+VZ_穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)***1.穩(wěn)定電壓VZ——流過(guò)規(guī)定電流時(shí)穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。2.穩(wěn)定電流IZ——越大穩(wěn)壓效果越好，小于Izmin

時(shí)不穩(wěn)壓。3.最大耗散功率PZM；最大工作電流IZM（Izmax）

PZM=VZ

IZM4.動(dòng)態(tài)電阻rZ_——穩(wěn)壓區(qū)，端電壓變化量與其電流量變化比。rZ

=VZ/IZ（幾幾十

）越小穩(wěn)壓效果越好。5.電壓溫度系數(shù)——穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):負(fù)載電阻RL＝600Ω，VI=15V求限流電阻R取值范圍。穩(wěn)壓原理：VIVZVoVoVRIRIZ當(dāng)輸入電壓變化時(shí)+Vo-IZDZRILIR+VI-RL穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):負(fù)載電阻RL＝600Ω，VI=15V求限流電阻R取值范圍。解：由電路可得:+Vo-IZDZRILIR+VI-RL二、

其它類型的二極管(了解)1.發(fā)光二極管LED有正向電流流過(guò)時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似。應(yīng)用：半導(dǎo)體光源。2.光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。應(yīng)用：光電檢測(cè)。符號(hào)符號(hào)（a）符號(hào)（b）結(jié)電容與電壓的關(guān)系（縱坐標(biāo)為對(duì)數(shù)刻度）利用結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小的原理制成